Chapitre 1 : Les réseaux de distribution communicants
4 Etat de l’art sur les technologies CPL
4.4 Les approches de modélisation des réseaux électriques
4.4.2 L’approche « Bottom-Up »
Contrairement à l’approche « Top-Down », cette seconde approche nécessite d’avoir une connaissance
détaillée de l’ensemble des liens du réseau électrique étudié : la topologie, les impédances localisées,
les propriétés des câbles électriques, etc. Cette connaissance permet d’établir une expression analytique de leur comportement. Cette approche se base principalement sur la théorie des lignes de
transmission, en se plaçant généralement dans l’hypothèse TEM (Transversal Electromagnetic) [40], c'est-à-dire que les réseaux électriques sont considérés comme une cascade de segments réseaux (matrices), dont l'impact de chaque trajet individuel dans le domaine temporel est automatiquement
compris dans la réponse fréquentielle du réseau, permettant ainsi d’intégrer l’ensemble des
multitrajets.
Dans la littérature, il est possible de distinguer trois méthodes issues de la théorie des lignes de
transmission. Il s‘agit de la méthode de rapport tension [40, 74-79, 87-89], de matrice ABCD [40, 77] et de paramètres S [90-92]. Les deux premières méthodes sont similaires mais exprimées de façons
différentes. En effet, toutes deux représentent les tensions et les courants au niveau des nœuds du réseau. L’approche des paramètres S est différente. Elle décrit la propagation des ondes dans un réseau
en utilisant les coefficients de transmission et de réflexion. Bien que cette approche soit plus complexe, elle est directement liée à la propagation du signal dans un réseau.
La figure suivante représente une matrice ABCD établissant le rapport entre les tension et courants en entrée et sortie du quadripôle.
Figure 1.21 : Quadripôle ABCD
Les tensions et les courants aux bornes de la matrice ABCD sont alors définis par l’équation suivante. (1.04) (1.05)
Les coefficients , , et sont fonction de la fréquence et représentent les caractéristiques du système étudié, où et correspondent aux paramètres secondaires de la ligne. Ces paramètres seront présentés plus en détails dans le chapitre 3 traitant de la modélisation des câbles de distribution en hautes fréquences.
En outre, cette approche en matrice permet de diviser les réseaux électriques en plusieurs segments indépendants, facilitant son application à différentes topologies réseaux et le suivi des évolutions futures éventuelles. Dans une configuration de transmission sur réseau « indoor » monophasé entre la phase et le neutre, à partir du réseau simple (cf figure 1.20), celui-ci peut être représenté par une succession de quadripôles ABCD (cf figure 1.22).
Figure 1.22 : Représentation du réseau simple en quadripôle ABCD
La réponse fréquentielle de la chaine de transmission est calculée à partir de la matrice ABCD totale déduit du résultat de la multiplication des matrices , i correspondant au numéro d’un élément de la chaine de transmission. (1.06)
La réponse fréquentielle du système global de la figure 1.22 peut alors s’écrire selon la formule suivante. (1.07) (1.08)
L’approche « Bottom-Up » possède l’avantage de pouvoir être appliquée à différentes situations dans
le contexte où les informations du réseau électrique sont parfaitement connues. Cette approche est
donc étroitement liée à la topologie des réseaux. En effet, comme présenté avec l’exemple du réseau
simple, le modèle est dérivé de l'interprétation physique du réseau électrique. De plus, le fait de
s’appuyer sur la théorie des lignes de transmission et donc sur la propagation des ondes de
courant/tension dans les câbles, le modèle permet de prendre en compte l’ensemble des trajets sur la
plage de fréquences étudiée, contrairement à l’approche « Top-Down ».
Néanmoins, l’inconvénient majeur de cette approche réside dans la connaissance exacte de l’ensemble
des liens du réseau électrique à analyser. Une connaissance imparfaite de ces liens peut nuire à la précision du modèle et nécessitera alors de mettre en place des mesures « in-situ » afin d’obtenir ces données manquantes. De plus, celle-ci est bien plus complexe à appliquer dans le cadre des réseaux de
distribution avec des câbles d’énergie triphasés et dans le cadre de réseaux électriques avec une topologie complexe et imposante. Cependant, l’approche « Bottom-Up » semble appropriée pour réaliser une étude préliminaire sur l’analyse comportementale de l’affaiblissement des réseaux
Conclusion
Pour répondre aux nouveaux enjeux de la maîtrise de l’énergie, les fournisseurs et les gestionnaires de réseaux ont pour vocation de moderniser les réseaux de distribution par l’intermédiaire d’infrastructures de communication en lieu et place d’un renforcement massif des réseaux. Celles-ci
permettent ainsi de rendre le réseau électrique plus communicant, Smart Grid, par une automatisation
de l’équilibre entre l’offre et la demande. L’union européenne a également mis en place des
dispositions incitant les gouvernements européens à développer la mise en place des actions pour
limiter la consommation énergétique et promouvoir les énergies renouvelables. En France, plus d’une
centaine de projets nationaux et régionaux ont vu le jour, dont le projet VERDI lancé par Séolis en
2011 dans lequel la thèse s’inscrit. Ce projet a pour vocation de moderniser les réseaux de distribution et de préparer l’insertion des VE et VHR par une supervision de ceux-ci à l’aide d’une infrastructure
de communication, permettant de limiter leur impact d’un point de vue économique et d’un point de vue environnementale.
Les travaux de la thèse se positionnent au niveau de la partie intra-infrastructure de l’infrastructure de communication globale proposée pour le projet VERDI. Pour fonctionner, cette sous-infrastructure
repose, dans l’idéal, de façon complète sur la technologie par CPL de par ses atouts, mais actuellement
complétée par une transmission radio en GPRS. Les contributions majeures de la thèse sont focalisées
sur l’étude de fiabilité de transmission des CPL sur les réseaux de distribution. Dans un premier temps, par un ensemble d’expérimentations démontrant la variabilité au cours du temps et de la fréquence des
réseaux de distribution, en terme de perturbations. Dans un second temps, à la modélisation des transformateurs de distribution et des câbles de distribution en hautes fréquences. Enfin, dans un
troisième temps, par une association des modèles élaborées sous forme d’une plateforme de simulation
CPL.
Dans la littérature, l’étude du comportement des réseaux électriques en hautes fréquence se fait sous
deux approches. La première correspond à l’approche « Top-Down » représentant le comportement du
réseau par un modèle de type « boite noire » et la seconde « Bottom-Up » à partir de formule analytique reposant sur la théorie des lignes de transmission. Pour établir des modèles largement
exploitables et généralistes, la communauté CPL très active propose aujourd’hui des modèles
statistiques. Toutefois la majorité de ces travaux est portée sur les réseaux « Indoor ».
Pour compléter les travaux sur le CPL, une étude sur les communications GPRS actuelles est
entreprise pour contribuer à la définition de règles d’ingénierie pour le déploiement des équipements
Bibliographie du chapitre 1
[1] J. Gao, Y. Xiao, J. Liu, W. Liang, C.L. Philip Chen, « A survey of communication/networking in Smart Grids », Future Generation Computer Systems, Elsevier, 2012
[2] L. Negre, « Livre Vert sur les infrastructures de recharge ouvertes au public pour les véhicules décarbonés », Rapport du Gouvernement Français, 2011
[3] Les réseaux intelligents, http://www.smartgrids-cre.fr/
[4] P. Gagnol, « Mobilité électrique : les expérimentations de véhicules électriques et des infrastructures de charge en cours », Présentation EDF, 2010
[5] H. Hrasnica, A. Haidine, R. Lehnert, « Broadband powerline communications: network design », Edition John Wiley and Sons, 2004
[6] H. C. Ferreira, L. Lampe, J. Newbury, T. G. Swart, « Power Line Communications: Theory and Applications for Narrowband and Broadband Communications over Power Lines », Edition John Wiley and Sons, 2010
[7] H. Philipps, « Modeling of power line communications channels », IEEE International Symposium on Power Line Communications and its Applications, vol., no., pp.14–21, 1999
[8] M. Zimmermann, K. Dostert, « A multi-path signal propagation model for the power line channel in the high frequency range », IEEE International Symposium Power-Line Communications and its Applications, vol., no.1, pp., 1999
[9] M. Zimmermann, K. Dostert, « A multipath model for the power line channel », IEEE Transactions on Communications, vol.50, no. , pp.553–559, 2002
[10] K. Wesolowski, « Introduction to digital communication systems », Edition John Wiley and Sons, 2009
[11] T. N. Saadawi, M. H. Ammar, « Fundamentals of Telecommunication Networks », Edition John Wiley and Sons, 1994
[12] D. Gerakoulis, E. Geraniotis, « CDMA : Access and Switching”, Edition John Wiley and Sons, 2001
[13] Kamil Sh. Zigangirov, « Theory of code division multiple access communication », Edition John Wiley and Sons, 2004
[14] A.M. Michelson, A.H. Levesque, « Error-control techniques for digital communications », Edition John Wiley and Sons, 1985
[15] R. H. Morelos-Zaragoza, « The Art of Error Correcting Coding », Edition John Wiley and Sons, 2002
[16] J. G. Dumas, J. L. Roch, E. Tannier, S. Varrette, « Foundations of Coding: Compression, Encryption, Error Correction », Edition John Wiley and Sons, 2015
[18] J. A. C. Bingham, « ADSL, VDSL, and Multicarrier Modulation », Edition John Wiley and Sons, 2000
[19] K. Fazel, S. Kaiser, « Multi-Carrier and Spread Spectrum Systems », Edition John Wiley and Sons, 2003
[20] H. Schulze, C. Lüders, « Theory and Applications of OFDM and CDMA », Edition John Wiley and Sons, 2005
[21] H. Smaini, « RF Analog Impairments Modeling for Communication Systems Simulation: Application to OFDM-based Transceivers », Edition John Wiley and Sons, 2012
[22] L. E. Frenzel, « Power-Line Communications Emerge as a core networking technology », Technology Report, Electronic Design, 2012
[23] HP, Home Plug Alliance, http://www.homeplug.org/
[24] H. A. Latchman, S. Katar, L. Yonge, S. Gavette, « Homeplug AV and IEEE 1901: A Handbook for PLC Designers and Users », Edition John Wiley and Sons, 2013
[25] IEEE 1901.1, « IEEE Std 1901-2010, IEEE Standard for Broadband over Power Line Networks: Medium Access Control and Physical Layer Specifications », http://grouper.ieee.org/groups/1901/ [26] HD-PLC, http://www.hd-plc.org/
[27] HGF, Home Gird Forum, http://www.homegridforum.org/
[28] T. Brown, P. Kyritsi, E. De Carvalho, « Practical Guide to MIMO Radio Channel: with MATLAB Examples », Edition John Wiley and Sons, 2012
[29] MOCA, Multimedia Over Coax Alliance, http://www.mocalliance.org/ [30] Home PNA, http://www.homepna.org
[31] IEEE 1905, « Standard for a Convergent Digital Home Network for Heterogeneous Technologies », http://grouper.ieee.org/groups/1905/1/
[32] T. Schaub, « Spread frequency shift keying », IEEE Transactions on Communications, vol.42, no.234, pp.1056-1064, 1994
[33] B. Lichtensteiger, V. Guillet, B. Bjelajac, F. Valentin, W. Laflere, P. Lebas, « Seamless evolution of PLAN+ base ARM systems using multicarrier communication technology » IEEE International Symposium on Power Line Communications and its Applications, vol., no., pp.485-490, 2011
[34] IEEE 1901.2, « Standard for Low-Frequency (less than 500 kHz) Narrowband Power Line Communications for Smart Grid Applications », http://grouper.ieee.org/groups/1901/2/
[35] G3 Alliance, http://www.g3-plc.com/
[36] PRIME Alliance, http://www.prime-alliance.org/
[37] V. Oksman, J. Zhang, « G.HNEM: the new ITU-T standard on narrowband PLC technology », IEEE Communications, vol.49, no.12, pp.36-44, 2011
[38] ERDF, « Spécifications fonctionnelles du profil CPL Linky », 2009 [39] ERDF, « Spécifications du profil CPL Linky », 2009
[40] C. R. Paul, « Analysis of Multiconductor Transmission Lines, 2nd Edition », Edition John Wiley and Sons, 2007
[41] S. Tsuzuki, T. Takamatsu, Y. Yamada, « An estimation method of the transfer function of indoor power line channels for Japanese houses », IEEE International Symposium on Power-Line Communications and its Applications, vol., no., pp. 55–59, 2002
[42] H. Phillips, « Modeling of power-line communication channels », IEEE International Symposium on Power Line Communications and its Applications, vol., no., pp., 1999
[43] Z. Mingyue, « Measurements and channel characteristics of LV power line communications networks in China », IEEE International Symposium on Power Line Communications and its Applications, vol., no., pp.212–216, 2006
[44] J.R Nicholson., J.A. Malack, « RF impedance of power lines and line impedance stabilization networks in conducted interference measurements », IEEE Transaction Electromagnetic Compatibility, vol., no., pp., 1973
[45] J.A Malack., J.R Engstrom, « RF impedance of United States and European power lines », IEEE Transaction Electromagnetic Compatibility, vol., no., pp., 1976
[46] G. DUVAL, « Analyse et modélisation du réseau basse tension aux fréquences courants porteurs [3 kHz -148.5 kHz) », Thèse, Université de Paris Sud, 1998
[47] R.M. Vines, H.J. Trussell, L.J. Gale, J.B. O’Neal, « Impedance of the residential power distribution circuits », IEEE Transaction Electromagnetic Compatibility, vol., no., pp., 1985
[48] M. Tanaka, « High frequency noise power spectrum, impedance and transmission loss of power line in Japan on intra-building power line comms », IEEE Transaction Consumer Electronics, vol., no., pp.321–326, 1988
[49] P.A.C. Lopes, J.M.M. Pinto, J.B. Gerald, « Modeling and optimization of the access impedance of power line channels », IEEE International Symposium on Power Line Communications and its Applications, vol., no., pp. 142-147, 2010
[50] I.H. Cavdar « Performance analysis of FSK power line communications systems over the time-
varying channels: measurements and modeling”, IEEE Transaction Power Delivery, vol.19, no.,
pp.111–117, 2004
[51] S. Tsuzuki, S. Yamamoto, T. Takamatsu, Y. Yamada, « Measurement of japanese indoor power- line channel » IEEE International Symposium on Power-Line Communications and its Applications, vol.24, no.4, pp.79–84, 2001
[52] H. Tian, R. Yuan, « Analysis on impedance related signal attenuation for power line communication » Fourth International Conference on Intelligent Computation Technology and Automation, 2011
[53] H. Tian, R. Yuan, F. Li, Z. Huang, S. Wang, S. Li, K. Zhong, « Measurement on narrow band power line communication channel impedance of distribution network », IEEE International Conference on Consumer Electronics, Communications and Networks, vol., no., pp. 454–457, 2011 [54] I.H. Cavdar, E. Karadeniz, « Measurements of impedance and attenuation at CENELEC bands for power line communications systems », Sensors, 2008
[55] M. Sigle, L. Wenqing, K. Dostert, « On the impedance of the low-voltage distribution grid at frequencies up to 500 kHz », IEEE International Symposium on Power Line Communications and Its Applications, vol., no., pp.30-34, 2012
[56] R. Araneo, S. Celozzi, G. Lovat, F. Maradei, « Multi-port impedance matching technique for power line communications » IEEE International Symposium on Power Line Communications and Its Applications, vol., no., pp.96–101, 2011
[57] A. Rodolfo, C. Salvatore, L. Giampiero, « Design of Couplers for Power Line Communications », IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility, vol., no., pp.64–69, 2009
[58] B. Baraboi, « Narrowband power line communication - applications and challenges - Part II », Tutorial at EDN networks, Ariane controls Inc, 2013
[59] C. Guangbin, L. Jianqi; L. Weilin, « Narrow band power line channel characteristics for low voltage access network in China », IEEE International Symposium on Power Line Communications and its Applications, vol., no., pp.297-302, 2013
[60] S. Dubravko, Z. Car, « Stochastic modeling of signal propagation in power-line communication networks ». International Journal Communication Systems, 2013
[61] R. Bushra, R. Afshan, K. Imdad, « Impedance Characterization of Power Line Communication Networks », Arabian Journal for Science and Engineering , vol.39, no.8, pp.6255-6267, 2014
[62] M. Zimmermann, K. Dostert. « An analysis of the broadband noise scenario in powerline networks », IEEE International Symposium on Power Line Communications and its Applications, vol., no., pp., 2000
[63] M. Zimmermann, K. Dostert, « Analysis and modeling of impulsive noise in broadband powerline communications », IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, vol.44, no.1, pp.249–258, 2002
[64] V. Degardin, M. Lienard, A. Zeddam, F. Gauthier, P. Degauque, « Classification and characterization of impulsive noise on indoor powerline used for data communications », IEEE Transactions on Consumer Electronics, vol.48, no.4, pp.913-918, 2002
[65] V. Degardin, M. Lienard, P. Degauque, A. Zeddam, F. Gauthier, « Impulsive noise on indoor power lines: characterization and mitigation of its effect on PLC systems », IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility, vol.1, no., pp.166-169, 2003
[66] H. Meng, Y. Guan, and S. Chen, « Modeling and analysis of noise effects on broadband power- line communications », IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 20, no.2, pp.630-637, 2005
[67] G. Avril, « Étude et Optimisation des systèmes à courant porteurs domestiques face aux pertubations du réseau électrique », Thèse, INSA de Rennes, 2008
[68] N. Andreadou, F.-N. Pavlidou, « Modeling the Noise on the OFDM Power-Line Communications System », IEEE Transactions on Power Delivery, vol.25, no.1, pp.150-157, 2010
[69] V. Guillet, G. Lamarque, « Unified background noise model for Power Line Communication », IEEE International Symposium on Power Line Communications and its Applications, vol., no., pp.131-136, 2010
[70] D. Veronesi, R. Riva, P. Bisaglia, F. Osnato, K. Afkhamie, A. Nayagam, D. Rende, L. Yonge, « Characterization of in-home MIMO power line channels » IEEE International Symposium on Power Line Communications and its Applications, vol., no., pp. 42–47, 2011
[71] F. Canete, J. Cortes, L. Diez, J. Entrambasaguas, « A channel model proposal for indoor power line communications », IEEE Communications Magazine, vol.49, no.12, pp.66–174, 2011
[72] A. M. Tonello, F. Versolatto, « Bottom-Up Statistical PLC Channel ModelingPart II: Inferring the Statistics », IEEE Transactions on Power Delivery, vol.25, no.4, pp.2356–2363, 2010
[73] A. M. Tonello, F. Versolatto, « Bottom-Up Statistical PLC Channel ModelingPart I: Random Topology Model and Efficient Transfer Function Computation », IEEE Transactions on Power Delivery, vol.26, no.2, pp.891–898, 2011
[74] S. Galli, T. Banwell, « A deterministic frequency-domain model for the indoor power line transfer function », IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol.24, no.7, pp.1304–1316, 2006
[75] S. Galli, T. Banwell, « A Novel Approach to the Modeling of the Indoor Power Line Channel Part II: Transfer Function and Its Properties », IEEE Transactions on Power Delivery, vol.20, no.3, pp.1869–1878, 2005
[76] T. Banwell, S. Galli, A Novel « Approach to the Modeling of the Indoor Power Line Channel Part I: Circuit Analysis and Companion Model », IEEE Transactions on Power Delivery, vol.20, no.2, pp.655–663, 2005
[77] T. Esmailian, F. R. Kschischang, P. Glenn Gulak, « In-building power lines as high-speed communication channels: channel characterization and a test channel ensemble », International Journal of Communication Systems, vol.16, no.5, pp.381–400, 2003
[78] D. Anastasiadou, T. Antonakopoulos, « Multipath Characterization of Indoor Power-Line Networks », IEEE Transactions on Power Delivery, vol.20, no.1, pp.90–99, 2005
[79] A. M. Tonello, F. Versolatto, B. Bejar, S. Zazo, « A Fitting Algorithm for Random Modeling the PLC Channel », IEEE Transactions on Power Delivery, vol.27, no.3, pp.1477–1484, 2012
[80] A. Tomasoni, R. Riva, S. Bellini, « Spatial correlation analysis and model for in-home MIMO power line channels », IEEE International Symposium on Power Line Communications and its Applications, vol., no., pp.286–291, 2012
[81] R. Hashmat, P. Pagani, A. Zeddam, T. Chonave, « A Channel Model for Multiple Input Multiple Output in-home Power Line Networks », IEEE International Symposium on Power Line Communications and its Applications, vol., no., pp.35–41, 2011
[82] M. Tlich, A. Zeddam, F. Moulin, F. Gauthier, « Indoor Power-Line Communications Channel Characterization Up to 100 MHz Part I: One - Parameter Deterministic Model », IEEE Transactions on Power Delivery, vol.23, no.3, pp.1392–1401, 2008
[83] F. Corripio, J. Arrabal, L. del Rio, J. Munoz, « Analysis of the cyclic short-term variation of indoor power line channels », IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol.24, no.7, pp.1327–1338, 2006
[84] S. Galli, « A Novel Approach to the Statistical Modeling of Wireline Channels », IEEE Transactions on Communications, vol.59, no.5, pp.1332–1345, 2001
[85] S. Guzelgoz, H. B. Celebi, H. Arslan, « Statistical Characterization of the Paths in Multipath PLC Channels », IEEE Transactions on Power Delivery, vol.26, no.1, pp.181–187, 2011
[86] F. Versolatto, A. M. Tonello, « An MTL Theory Approach for the Simulation of MIMO Power- Line Communication Channels », IEEE Transactions on Power Delivery, vol.26, no.3, pp.1710–1717, 2011
[87] J. Anatory, N. Theethayi, R. Thottappillil, « Power-Line Communication Channel Model for Interconnected Networks Part II: Multiconductor System », IEEE Transactions on Power Delivery, vol.24, no.1, pp.124–128, 2009
[88] J. Anatory, N. Theethayi, R. Thottappillil, « Power-Line Communication Channel Model for Interconnected Networks Part I: Two- Conductor System », IEEE Transactions on Power Delivery, vol.24, no.1, pp.118–123, 2009
[89] T. Sartenaer, P. Delogne, « Deterministic modeling of the (shielded) outdoor power line channel based on the multiconductor transmission line equations », IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol.24, no.7, pp.1277–1291, 2006
[90] H. Meng, S. Chen, Y. Guan, C. Law, P. So, E. Gunawan, T. Lie, « Modeling of Transfer Characteristics for the Broadband Power Line Communication Channel », IEEE Transactions on Power Delivery, vol.19, no.3, pp.1057–1064, 2004
[91] E. G. Bakhoum, « S-Parameters Model for Data Communications Over 3-Phase Transmission Lines », IEEE Transactions on Smart Grid, vol., no., pp.615–623, 2011
[92] M. Babic, M. Hagenau, K. Dostert, J. Bausch, « Theoretical postulation of plc channel models », the OPERA IST Integrated Project, Technical report, 2005
[93] A. M. Tonello, « Wideband impulse modulation and receiver algorithms for multiuser power line communications », EURASIP Journal on Advances in Signal Processing, 2007
[94] A. Tonello, T. Zheng, « Bottom-up transfer function generator for broadband plc statistical channel modeling », IEEE International Symposium on Power Line Communications and its Applications, vol., no., pp. 7–12, 2009